史曉斐，章 軍，王城坡

（1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

1 引言

碼垛機器人是用在工業(yè)生產(chǎn)過程中執(zhí)行大批量工件、包裝件的獲取、搬運、碼垛、拆垛等任務的一類工業(yè)機器人，是集機械、電子、信息、智能技術(shù)、計算機科學等學科于一體的高新機電產(chǎn)品[1]。廣西大學發(fā)明的箱體類貨物碼垛機械手[2]，可以調(diào)整機械手兩組相對的手指開距來適應不同箱子的尺寸，但該種機械手無法抓取太重的箱體且需要箱子有一定的操作空間。廣東順德勞佰機器人科技有限公司發(fā)明的夾板式機械手手爪[3]，通過調(diào)整機械手兩板的距離來適應箱子的尺寸，機械手兩板夾緊箱體兩側(cè)然后手指鉤入箱子的底部來保證抓取方形箱體的可靠性，但該機械手要求被抓取箱體的兩側(cè)面與底面垂直?，F(xiàn)在電商物流公司通常將貨物裝入物流周轉(zhuǎn)箱再進行運輸，使用機器人碼垛物流周轉(zhuǎn)箱的場景有：（1）碼垛機械人將裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱垂直地放置到托盤上、并碼垛多層；（2）碼垛機械人將待存放的物流周轉(zhuǎn)箱放置到貨架上指定位置；（3）碼垛機械人對取出貨物后的空箱進行分離或疊放。需要設(shè)計一種可以適用于這些應用場景的物流周轉(zhuǎn)箱專用碼垛機械手。

1.1 碼垛機械手的抓取對象

為了節(jié)省空箱運輸成本，電商物流公司通常使用斜插式物流周轉(zhuǎn)箱。斜插式周轉(zhuǎn)箱具有優(yōu)越運輸特性，但現(xiàn)有物流周轉(zhuǎn)箱的結(jié)構(gòu)無法很好地滿足碼垛機械手的抓取要求，需要改進現(xiàn)有的物流周轉(zhuǎn)箱結(jié)構(gòu)。

改進斜插式物流周轉(zhuǎn)箱主要由箱體與兩塊互相嚙合的鋸齒形箱蓋組成，如圖1 所示。箱體與箱蓋間通過鉸鏈連接。并且將左右方形截面條及箱蓋開槽（需改進現(xiàn)有的模具），箱蓋上還設(shè)有碼垛限位塊，確保裝滿貨物且上下層碼垛的物流周轉(zhuǎn)箱不會滑動。

圖1 改進物流周轉(zhuǎn)箱示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Improved Logistics Turnover Box

1.2 機械手結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 機械手手掌部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagramof Palm Partof Manipulator

圖3 機械手手指部分結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagramof Finger Partof Manipulator

可伸展又可開合的碼垛機械手，由氣缸驅(qū)動的增力機構(gòu)夾持物流周轉(zhuǎn)箱的手掌，以及雙導桿薄氣缸的導桿承載、厚連桿伸展為水平狀態(tài)從而提升物流周轉(zhuǎn)箱的手指組成[4]。碼垛機械手手掌結(jié)構(gòu)：兩個導軌支座3、夾緊氣缸5 均安裝在安裝架7 上，抗轉(zhuǎn)矩直線導軌6 安裝在導軌支座3 上，兩個直線軸承4 安裝在抗轉(zhuǎn)矩直線導軌6 上，夾緊氣缸5 的活塞桿與鉸鏈座1 通過螺栓連接，兩根連桿2通過銷軸連接在鉸鏈座1 上。碼垛機械手手指結(jié)構(gòu)：Z 型指板1a 通過螺釘固定在直線軸承4 上，Z 型指板1a 內(nèi)側(cè)粘貼有防滑軟橡膠墊，雙導桿薄型3a 氣缸通過螺釘固定在z 型指板1a 的外側(cè)，雙導桿薄型氣缸的兩根導桿通過定做的方式加工，在導桿的后端車出螺紋并安裝了兩個限位螺母2a。并聯(lián)雙鉸鏈支座4a 通過螺釘與氣缸推板相連，兩個厚連桿5a 的一端分別和并聯(lián)雙鉸鏈支座相連。機械手手指通過螺釘固定在直線軸承4 上。碼垛機械手手掌工作原理：向夾緊氣缸5 的無桿腔通壓縮空氣，活塞桿伸長推動鉸鏈座1 向上移動，鉸鏈座1 帶動兩根連桿2 轉(zhuǎn)動，連桿2 拉動直線軸承4在抗轉(zhuǎn)矩直線導軌6 上向內(nèi)運動，兩個機械手指1a 間的開距變小。向夾緊氣缸5 的有桿腔通壓縮空氣，兩個機械手指間的開距變大，如圖2 所示。碼垛機械手手指工作原理：向雙導桿薄型氣缸3a 的無桿腔通氣，氣缸3a 的活塞桿伸長到極限位置推動氣缸推板向下運動，氣缸推板推動厚連桿5a 轉(zhuǎn)動，厚連桿轉(zhuǎn)動到水平位置。向雙導桿薄型氣缸3a 的有桿腔通氣，氣缸推板拉動厚連桿5a 轉(zhuǎn)動到初始位置，如圖3 所示。

2 碼垛機械手的實際應用及參數(shù)計算

2.1 碼垛機器人的使用場景

碼垛機械手安裝在機械臂上，機械臂與碼垛機械手組成的碼垛機器人可以采用三種方式抓取改進后的物流周轉(zhuǎn)箱，分別是實箱鏟運放置貨架、吊運碼垛或分離實箱、夾持層疊（放置或分離空箱）。針對不同的抓取條件及對象選擇對應的抓取方式。

（1）實箱鏟運放置貨架，如圖4 所示。碼垛裝滿貨物且有足夠的操作空間的物流周轉(zhuǎn)箱時，機械臂轉(zhuǎn)動到水平，然后平移使碼垛機械手的手指水平地伸在作用方型截面條的下面，向夾緊氣缸通壓縮空氣直到活塞桿伸長到極限位置（兩個機械手手指開距最?。瑱C械手對物流周轉(zhuǎn)箱沒有夾持，由機械臂向上提起箱體放置在旁邊的貨架上。

圖4 機械手實箱鏟運放置貨架示意圖Fig.4 Schematic Diagramof Manipulator’s Boxes with Goods Shovelingand Placing Shelves

圖5 機械手吊運碼垛或分離實箱示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Manipulator Lifting and Palletizing or Separating Boxes with Goods

（2）吊運碼垛或分離實箱，如圖5 所示。上下碼垛裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱時，物流箱相互緊靠且沒有足夠的操作空間時，機械臂轉(zhuǎn)動到垂直狀態(tài)，然后平移到物流周轉(zhuǎn)箱槽口的位置，向夾緊氣缸通氣直到活塞桿伸出到極限位置（兩個機械手手指開距最小），機械臂向下運動動使機械手手指垂直地伸入物流周轉(zhuǎn)箱槽口內(nèi)，向雙導桿薄型氣缸無桿腔通氣，活塞桿伸出到極限位置推動厚連桿運動到水平狀態(tài)起吊鉤作用；機械臂向上運動使厚連桿接觸方形截面條的下側(cè)，機械手對箱體沒有夾持，靠兩根導桿承受箱體及貨物的重量。

（3）夾持層疊（放置或分離空箱），如圖6 所示。疊放空箱可以節(jié)省大量的運輸空間，但也產(chǎn)生機械手可夾持面積小的問題。機械臂轉(zhuǎn)動到水平狀態(tài)，然后平移到物流周裝箱方形截面條的外側(cè)，向夾緊氣缸通氣使活塞桿伸長，機械手手指在夾緊在方形截面條的外側(cè)。依靠氣缸夾緊箱體產(chǎn)生的摩擦力來提升空箱。

圖6 機械手夾持層疊（放置或分離空箱）示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Manipulator Clamping and Stacking（ Placing or Separating Empty Boxes）

2.2 機械手手掌結(jié)構(gòu)各參數(shù)計算

夾緊氣缸作為機械手手掌部分的驅(qū)動來調(diào)整機械手手掌的開距，并且夾緊氣缸需要為機械手抓取空箱提供動力，如圖7 所示。需要選擇合適的氣缸并計算連桿的長度。在進行空箱的分離和堆疊操作時，箱蓋為打開狀態(tài)。機械手水平的夾持在物流周轉(zhuǎn)箱方形截面條外側(cè)垂直面。以抓取空箱時機械手手掌部分狀態(tài)作受力分析：

根據(jù)上述公式可以得到夾緊氣缸推力F 與空箱自重的關(guān)系：

機械手手掌中連桿機構(gòu)幾何關(guān)系：

式中：F—氣缸的推力；N、N′—連桿上的一對相互作用力；N1—物流周轉(zhuǎn)箱與機械手間的接觸力；f—物流周轉(zhuǎn)箱與機械手間的摩擦力；G—空箱的重力；L1—連桿的長度；角度θ—連桿與活塞桿間形成的銳角（抓取過程中從角度θ1變?yōu)棣?，機械手水平鏟運及吊起貨物時變?yōu)棣?）。

圖7 機械手手掌受力分析圖（夾持層疊）Fig.7 Force Analysis Diagramof Manipulator Palm

機械手手掌的最小開距a—614mm（機械手手掌水平鏟運及吊起貨物時的開距），機械手水平夾持空箱時機械手手掌的開距b—710mm，機械手手掌的最大開距c—830mm。d—氣缸的行程，取箱子與橡膠的摩擦系數(shù)—0.56[5]，安全系數(shù)—1.7，空箱的質(zhì)量—5.9kg。選擇氣缸型號為SC32X75，氣缸的內(nèi)徑—32mm，氣缸的行程—75mm，氣缸的內(nèi)壓力—0.5MPa。當夾緊氣缸的活塞桿從初始位置伸長到極限位置時，機械手手掌開距從最大變?yōu)樽钚?。將夾緊氣缸行程及機械手手掌的開距的帶入式（5）得連桿l1的長度為636mm。式（6）為機械手堆疊與分離空箱時夾緊氣缸推力與空箱自重的關(guān)系式，帶入?yún)?shù)得所需的夾緊氣缸內(nèi)徑為28.9mm。結(jié)論：碼垛機械手手掌采用了連桿增力機構(gòu)，32mm 的小直徑夾緊氣缸在通0.5MPa 氣壓的情況下就可以滿足碼垛機械手分離和層疊空箱的需求。75mm 的氣缸行程就可以實現(xiàn)機械手手掌開距614mm 增大到830mm。

2.3 機械手手指結(jié)構(gòu)各參數(shù)計算

圖8 厚連桿機構(gòu)幾何關(guān)系Fig.8 Geometric Relationship of Thick Link Mechanism

雙導桿薄型氣缸作為機械手手指部分的驅(qū)動來調(diào)節(jié)機械手手指的狀態(tài)。需要選擇合適的氣缸并計算厚連桿、連桿的長度。裝滿貨物的物流周轉(zhuǎn)箱上下層碼垛時，機械手手指垂直伸進方形截面條的槽內(nèi)，整個手指均在槽口的范圍內(nèi)，厚連桿機構(gòu)呈現(xiàn)水平狀，起起吊作用，此時夾緊氣缸、雙導桿薄型氣缸的活塞桿均伸長到極限位置。碼垛機械手手指中連桿機構(gòu)幾何關(guān)系（初始及水平兩種狀態(tài)）：

式中：α1、α2—初始狀態(tài)下厚連桿及連桿與導桿軸線所成的銳角。l1—厚連桿的長度；l2—連桿的長度。

選擇雙導桿薄型氣缸型號為MGPM50－12。氣缸參數(shù)：最大負荷13N，標準行程—50mm，氣缸內(nèi)徑—12mm 導桿偏移距離a—37mm，氣缸整體寬度—58mm，氣缸厚度—28mm。

式（9）為厚連桿、連桿和導桿偏移距離的關(guān)系式。為了方便加工假設(shè)α1=0，α2=30°，計算得連桿的長度l1為74mm。

式（8）為雙導桿薄型氣缸行程與厚連桿機構(gòu)的運動關(guān)系式，將式（6）、式（7）代入式（8）計算得厚連桿的長度l2為25.5mm。

結(jié)論：在吊運碼垛或分離實箱時碼垛機械手對箱體沒有夾持作用，靠兩根導桿承受箱體及貨物的重量。因此選用的雙導桿薄型氣缸內(nèi)徑僅為12mm 且無需通壓縮空氣。設(shè)計的連桿機構(gòu)大大縮短了所需氣缸的行程，氣動系統(tǒng)的靈敏性及氣缸較短的行程很大的縮短了碼垛機械手抓取物流周轉(zhuǎn)箱的準備時間。

3 結(jié)語

碼垛機械手的設(shè)計，克服了傳統(tǒng)機械手結(jié)構(gòu)復雜、功能單一的缺陷。結(jié)合了現(xiàn)有物流周轉(zhuǎn)箱的尺寸、結(jié)構(gòu)及使用情況并做了開槽改進。新穎的抓取方式可以讓物流周轉(zhuǎn)箱以更合理的排列方式運輸及儲存，大大的提升了及機械手碼垛可靠性并間接提升了物流運輸效率。碼垛機械手的手掌及手指部分采用了氣缸驅(qū)動反應速度較快并能節(jié)省能源。未來手掌部分的驅(qū)動可以用步進電機來代替氣缸驅(qū)動，可以更精準的控制機械手手掌的開距來適應各種尺寸的物流箱。